Konzeptentwicklung und Gestaltung technischer Produkte

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1 Konzeptentwicklung und Gestaltung technischer Produkte

2 Josef Ponn Udo Lindemann Konzeptentwicklung und Gestaltung technischer Produkte Optimierte Produkte - systematisch von Anforderungen zu Konzepten 123

3 Dr.-Ing. Josef Ponn Hilti Entwicklungsgesellschaft mbh Hiltistrasse Kaufering Deutschland Prof. Dr.-Ing. Udo Lindemann Lehrstuhl für Produktentwicklung TU München Boltzmannstr Garching Deutschland ISBN e-isbn DOI / Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. c 2008 Springer-Verlag Berlin Heidelberg Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Einbandgestaltung: WMX Design GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier springer.de

4 Vorwort Die Entwicklung und Konstruktion erfolgreicher Produkte fängt mit den frühen Vorbereitungen der Entwicklungsarbeit an. Hier werden oft bereits entscheidende Weichenstellungen vorgenommen. Der Konzeptentwicklung technischer Produkte kommt eine hohe Bedeutung zu, da hier Entscheidungen mit weitreichenden Konsequenzen für den Erfolg des Produktes am Markt getroffen werden. In Forschung, Ausbildung wie auch in der industriellen Praxis ist in den vergangenen Jahrzehnten das Bewusstsein gewachsen, dass mehr Systematik im Vorgehen und bei der Durchführung von Arbeitsschritten erforderlich ist. Ebenso wird aber festgestellt, dass vorgedachte Vorgehensmodelle und Arbeitsmethoden an die jeweils spezifischen Randbedingungen der konkreten Entwicklungssituation angepasst werden müssen. Es wird auch in der Industrie zunehmend anerkannt, dass die anstehenden Aufgaben und Problemstellungen nur mit einer hinreichenden Systematik im Vorgehen beherrschbar sind. In der Forschung beschäftigen wir uns seit vielen Jahren mit der Frage, wie eine Hilfestellung zur Bestimmung der jeweils geeigneten Vorgehensweisen, Methoden und sonstiger Hilfsmittel realisiert werden kann. Eine zentrale Herausforderung ist die verbesserte Unterstützung der Navigation durch die Vielzahl der alternativen Möglichkeiten der nächsten Entwicklungsschritte vor dem Hintergrund des großen Spektrums denkbarer Entwicklungsszenarios. Wir wollen ein zielorientiertes, systematisches Vorgehen fördern, welches den Freiraum für Kreativität und individuell erforderliche Gestaltungsmöglichkeiten offen hält. Aus Forschungsprojekten, Dissertationen und Erfahrungen in und mit der Industrie sowie zahlreichen Diskussionen mit Mitarbeitern, Industrievertretern, Kollegen in Forschung und Lehre sowie Unternehmensberatern haben wir viele Hinweise gewonnen, die uns zu diesem Buch motiviert haben. Dabei war es unser Bestreben, bewährte Punkte beizubehalten, neue Erkenntnisse zu integrieren sowie strukturelle Aspekte zu überarbeiten. Das gesamte Team des Lehrstuhls für Produktentwicklung hat uns dabei nachhaltig unterstützt. Besonders nennen möchten wir Andreas Gaag, der durch seine inhaltliche wie auch organisatorische Mitwirkung die Fertigstellung ermöglicht hat. Inhaltlich haben Andreas Gaag (Kapitel 3 und 10), David Hellenbrand (Kapitel 5 und 8), Clemens Hepperle (Kapitel 12), Julia Roelofsen (Kapitel 2 und 9) und Bernd Schröer (Kapitel 6 und 12) in Diskussionen wie bei der Abfassung von Teilkapiteln mitgewirkt. Die Überarbeitung und Realisierung des Bildmaterials übernahm Rainer Hinterberger. Allen Beteiligten, auch allen die sich an Diskus-

5 VI Vorwort sionen beteiligt haben, gilt unser Dank für ihr Engagement und ihre Unterstützung. Dem Verlag und hier besonders Herrn Thomas Lehnert gilt unser Dank für die stets hervorragende Zusammenarbeit. Mit dem Ziel der besseren Lesbarkeit wurde im weiteren Verlauf des Buches auf eine Differenzierung zwischen weiblichen und männlichen Formen verzichtet. Auf Abkürzungen wurde weitgehend verzichtet. Begriffe aus dem englischen Wortschatz wurden ebenfalls nur mit Zurückhaltung benutzt, an einigen Stellen erschienen sie uns aber klarer als die jeweiligen deutschen Umschreibungen. Wir hoffen, dass dieses Buch einen Beitrag leistet, um die systematische und erfolgreiche Entwicklung von technischen Produkten in der Aus- und Weiterbildung in den technischen Disziplinen sowie in der industriellen Praxis noch intensiver zu verankern. Garching, im Februar 2008 Udo Lindemann und Josef Ponn

6 Inhaltsverzeichnis Einführung... 1 Welches Ziel verfolgt dieses Buch?... 2 An wen richtet sich dieses Buch?... 3 Was waren die wichtigsten Einflüsse auf dieses Buch?... 3 Wie ist dieses Buch aufgebaut? Produktentwicklung und Konstruktion Entwicklungssituationen Technische Produkte Prozesse und Vorgehensmodelle Methoden, Produktmodelle und Werkzeuge Navigationsmodell der Produktkonkretisierung Hauptzielsetzungen und Gerechtheiten Beispielhafte Entwicklungsszenarios Zusammenfassung Anforderungen Anforderungsklärung bei der Entwicklung eines medizintechnischen Gerätes Methoden des Anforderungsmanagements Wie können Anforderungen geklärt werden? Wie können Kundenanforderungen ermittelt werden? Wie können die geklärten Anforderungen strukturiert und priorisiert werden? Wie können Anforderungen über den gesamten Entwicklungsprozess genutzt und erweitert werden? Entwicklung einer Schablonenvorrichtung für chirurgische Gelenkkorrekturen Zusammenfassung Funktionsmodelle Funktionale Betrachtung der Energie- und Informationsflüsse im Kraftfahrzeug Methoden zur Funktionsmodellierung... 56

7 VIII Inhalt Wie können die Funktionen eines Systems ermittelt und beschrieben werden? Wie können Funktionen dargestellt werden? Wie können Stoff-, Energie- und Signalflüsse eines Systems modelliert werden? Wie können nützliche und schädliche Funktionen eines Systems ermittelt werden? Beispiele zur Funktionsmodellierung Funktionsanalyse und Entwicklung eines kostengünstigen Reinigungskonzepts für einen Pflanzenölkocher Funktionsmodellierung und Generierung innovativer Lösungsideen für Bahnübergänge Zusammenfassung Wirkprinzipien Optimierung des Antriebs einer Seilwinde Methoden zur Entwicklung von Wirkmodellen Wie lassen sich Wirkprinzipien für physikalisch orientierte Probleme ermitteln? Wie lassen sich Wirkprinzipien für technische Widersprüche ermitteln? Wie lassen sich Wirkprinzipien durch Einbezug von Wissen aus anderen Disziplinen ermitteln? Wie lassen sich Wirkprinzipien darstellen? Beispiele für die Generierung von Wirkprinzipien Konzeptentwicklung für Gelenkbremsen in Industrierobotern Entwicklung eines innovativen Konzepts einer Erdbohrmaschine Zusammenfassung Wirkkonzepte Entwicklung eines Spenders für Tragetaschen Methoden zur Erstellung und Auswahl von Wirkkonzepten Wie lässt sich ein Überblick über das Lösungsfeld gewinnen? Wie lassen sich vorhandene Teillösungsideen zu Wirkkonzepten kombinieren? Wie lässt sich eine Flut vonwirkkonzeptalternativen beherrschen? Wie lässt sich aus gewählten Teillösungen ein räumliches Wirkkonzept erstellen? Wie lässt sich ein optimales Wirkkonzept auswählen? Entwicklung eines Gangschaltungssimulators für Nutzfahrzeuge Zusammenfassung Produktgestalt Entwicklung einer gestaltoptimierten Staubsaugerdüse Grundlagen und Methoden zum Erarbeiten der Produktgestalt

8 Inhalt Wie kann die konkrete Gestalt eines Produktes erarbeitet werden? Wie können Gestaltlösungsalternativen systematisch entwickelt werden? Wie lässt sich ein Spektrum bestehender Gestaltalternativen darstellen und ergänzen? Erarbeitung der Gestalt eines innovativen Klappradrahmens Zusammenfassung Baukonzepte Herausforderungen bei der Entwicklung einer Kupplung mit hydraulischer Dämpfung Methoden, Prinzipien und Richtlinien für die Entwicklung von Baukonzepten Wie lässt sich eine optimale Baustruktur festlegen? Wie lässt sich die Produktgestalt optimieren? Wie lassen sich Schnittstellen des Produktes optimieren? Wie lassen sich Iterationen bei der Erarbeitung von Baukonzepten handhaben? Was ist bei der Ausarbeitung des Produktes zu beachten? Entwicklung eines Baukonzeptes für eine Kupplung mit hydraulischer Dämpfung Zusammenfassung Sichere und zuverlässige Produkte Sicherheit und Zuverlässigkeit von Windkraftanlagen Grundlagen der Sicherheit und Zuverlässigkeit Wie lassen sich die Zuverlässigkeit eines Systems ermitteln sowie Schwachstellen und ihre Auswirkungen analysieren? Wie lassen sich Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanforderungen ermitteln? Wie lässt sich die Sicherheit und Zuverlässigkeit mit Hilfe von Funktionsmodellen erhöhen? Wie lassen sich Sicherheit und Zuverlässigkeit bei Wirkmodellen einbeziehen? Wie lässt sich die Sicherheit im Baumodell erhöhen? Verminderung des Unfallrisikos einer Ringspinnmaschine Zusammenfassung Produktgewicht Auswirkungen des Gewichts auf eine Hochgeschwindigkeits- Schleifmaschine Maßnahmen zur Optimierung des Produktgewichts Wie können Gewichtsziele ermittelt werden? Wie kann das Produktgewicht im Funktionsmodell berücksichtigt werden? IX

9 X Inhalt Wie können gewichtsparende Wirkprinzipien bestimmt werden? Wie können gestalterische Maßnahmen zur Gewichtsoptimierung eingesetzt werden? Gewichtsoptimierung in der Luftfahrtindustrie Zusammenfassung Montagegerechte Produkte Montagegerechte Gestaltung eines Reihenschalters Methoden zur Analyse und Gestaltung montagegerechter Produkte Wie können Anforderungen und Ziele für montagegerechte Produkte ermittelt und festgelegt werden? Wie kann die Produktstruktur montagegerecht gestaltet werden? Wie können Verbindungen und Fügestellen montagegerecht gestaltet werden? Wie können Bauteile montagegerecht gestaltet werden? Wie lassen sich Produkte bezüglich ihrer Eignung zur Montage bewerten? Montagegerechte Gestaltung eines Pneumatikventils Zusammenfassung Variantenreiche Produkte Variantenvielfalt im Automobilbereich Methoden zur Entwicklung variantenreicher Produkte Wie lässt sich die Variantenvielfalt analysieren? Wie lassen sich Anforderungen bei variantenreichen Produkten handhaben? Wie lassen sich Funktionen bei variantenreichen Produkten modellieren? Wie lassen sich Wirkprinzipien und -konzepte für variantenreiche Produkte ermitteln? Wie lassen sich Gestaltlösungen und Baukonzepte für variantenreiche Produkte ermitteln? Entwicklung eines variantenreichen Produktprogrammes für Automobilsitze Zusammenfassung Nachhaltige Produkte Entwicklung eines verwertungsgerechten Toasters Methoden zur Entwicklung nachhaltiger Produkte Wie lassen sich Umweltbeeinträchtigungen eines Produktes möglichst umfassend erkennen und bewerten? Wie können umweltbeeinflussende Produktaspekte auf Anforderungsebene einfließen? Wie lassen sich Funktionsmodelle in der umweltgerechten Produktentwicklung nutzen?

10 Inhalt XI Wie können auf Wirkmodellebene umweltbeeinflussende Produktaspekte berücksichtigt werden? Wie können Aspekte der Umweltverträglichkeit auf Baumodellebene berücksichtigt werden? Entwicklung eines umweltgerechten PET-Flake-Wäschers Zusammenfassung Optimierte Produkte systematisch von Anforderungen zu Konzepten 273 Literatur Bildnachweis Anhang A Checklisten und Hilfsmittel A1 Anforderungsmodell A1-1 Checkliste zur Anforderungsklärung A1-2 Suchmatrix zur Anforderungsklärung A2 Funktionsmodell A2-1 Umsatzorientierte Funktionsmodellierung A2-2 Checkliste zur Variation der Funktion A2-3 Relationsorientierte Funktionsmodellierung A2-4 Problemformulierungen A2-5 Nutzerorientierte Funktionsmodellierung A3 Wirkmodell A3-1 Lösungssuche mit physikalischen Effekten A3-2 Physikalische Effektesammlung A3-3 Widerspruchsorientierte Lösungssuche A3-4 Prinzipien zur Überwindung technischer Widersprüche A3-5 Bionik A3-6 Assoziationsliste A4 Baumodell A4-1 Systematische Variation A4-2 Checkliste mit Gestaltparametern A4-3 Prinzipien optimaler Systeme Anhang B Glossar Sachverzeichnis

11 Einführung Wie kam es zu diesem Buch und was ist dessen Ziel? Die Entwicklung und Konstruktion erfolgreicher Produkte beginnt mit der richtigen Vision oder Zielsetzung. Die darauf aufsetzende zielgerichtete und schrittweise ablaufende Konkretisierung und Verfeinerung der Lösungsbeschreibung erfolgt vor dem Hintergrund einer schier unüberschaubaren Menge an Anforderungen und Randbedingungen. Da Produkte nach wie vor von handelnden Personen entwickelt werden, sind hier die Aspekte der Fähigkeiten und Grenzen menschlich bestimmter Handlungen zu berücksichtigen. Das komplexe Umfeld, in welchem sich die Handelnden bewegen, und gewisse historische Prägungen spielen dabei eine große Rolle. Wir alle kennen den sogenannten Scheuklappeneffekt, das Haften an den bekannten und vertrauten Lösungsmustern. Dann und wann kommt eine Lösung auf den Markt, die viele Wettbewerber, Kunden und unter Umständen auch uns selbst überrascht. In solchen Fällen ist die Not oft groß, sind doch unter Umständen Chancen nicht erkannt und verschlafen worden. Es stellt sich die Frage: Warum sind wir nicht selbst auf diese Lösung gekommen? Das schrittweise Vorgehen bei der Konkretisierung des zu entwickelnden Produkts verlangt vom Konstrukteur und Entwickler Systematik. Ein Verweilen im abstrakten Raum ist dabei nicht immer beliebt, aber doch oft erfolgreich. Wesentlich ist hierbei die Schaffung von alternativen Lösungsideen zur Verhinderung des gedanklichen Verharrens in alten Lösungen oder in Sackgassen. Der Produktentwicklungsprozess und dessen Ergebnis bilden den Gegenstand dieses Buches. Dabei steht nicht alleine das Endergebnis im Fokus, vielmehr sind auch die vielen Zwischenergebnisse von Interesse, die auf dem Weg zum finalen Produkt entstehen. Die Ausführungen orientieren sich an der Frage, welches Vorgehen im Entwicklungsprozess in Abhängigkeit der aktuellen Entwicklungssituation sinnvoll und zielführend ist. Ebenso von Bedeutung ist die Fragestellung, welche Methoden, Werkzeuge und sonstigen Hilfsmittel zur Unterstützung der auszuführenden Aktivitäten herangezogen werden können und wie sie gewinnbringend einzusetzen sind. Diese und viele weitere Fragen wurden in den vergangenen Jahren in einer Vielzahl von Forschungsprojekten behandelt und im Verbund mit Industrieunternehmen beleuchtet. Dadurch wurden teilweise neue Begriffe und Modellvorstellungen generiert beziehungsweise bekannte Begriffe und Modelle modifiziert, um mehr Systematik und Klarheit zu erhalten.

12 2 Einführung Welches Ziel verfolgt dieses Buch? Dieses Buch soll dazu beitragen, die Effektivität und Effizienz in Produktentwicklungsprozessen zu erhöhen. Es soll das Bewusstsein für den Situationsbezug und die Systematik in der Entwicklung und Konstruktion technischer Produkte gefördert werden. Um dies zu erreichen, wurde ein Rahmen geschaffen, in dem sowohl die Aktivitäten als auch die Ergebnisse der Produktentwicklung eingeordnet werden können. Diesen Rahmen bildet das Münchener Produktkonkretisierungsmodell (MKM). Es orientiert sich am Konkretisierungsgrad der erarbeiteten Produktmodelle und umfasst die Ebenen des Anforderungs-, Funktions-, Wirk- und Baumodells. An diesem Modell soll die Bedeutung von Produktmodellen und ihrer Vernetzung verdeutlicht werden. Produktmodelle werden auf allen Konkretisierungsebenen für unterschiedliche Zwecke aufgestellt: zur Erfassung und Strukturierung der Ziele, zur Durchdringung der Problemstellung zur Spezifikation der Lösung oder zur Ermittlung relevanter Produkteigenschaften. Außerdem soll die Bedeutung einer zielgerichteten Navigation durch den Entwicklungsprozess in Abhängigkeit der spezifischen Situation aufgezeigt werden. Grundsätzlich hat sich das Vorgehen der handelnden Personen an Zielen zu orientieren. Das Delta zwischen der aktuellen Situation und der Zielsetzung bestimmt demnach die erforderlichen Aktivitäten im Entwicklungsprozess. Das Handeln kann sich dabei an bestimmten Grundprinzipien orientieren. Deren Beachtung erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass ein Entwicklungsprozess erfolgreich durchlaufen wird. Solche Grundprinzipien sind unter anderem die Problemzerlegung, das Denken in Alternativen sowie der Wechsel zwischen Ganzem und Details. Ferner sollen Möglichkeiten der Unterstützung bei der Festlegung des Anforderungs-, Funktions-, Wirk- und Baumodells aufgezeigt werden. Zum einen sind es Arbeitsmethoden, die in Abhängigkeit der Problemstellung auszuwählen, anzupassen und zum Teil in Kombination anzuwenden sind. Darüber hinaus steht Entwicklern und Konstrukteuren ein großes Spektrum an Gestaltungsrichtlinien, Gestaltungsprinzipien und Informationssammlungen zur Verfügung. Aus dieser Vielfalt wurden zahlreiche Methoden und Hilfsmittel für dieses Buch ausgewählt und den hier betrachteten Konkretisierungsebenen zugeordnet. Die Beschreibung der Anwendung im Kontext verschiedener Entwicklungsszenarios soll Verständnis für Zweck und Wirkung der jeweiligen Methoden und Hilfsmittel erzeugen. Darüber hinaus enthält der Anhang zahlreiche Checklisten und Informationssammlungen, die einen gezielten Zugriff auf relevante Aspekte ermöglichen und durch die sich Entwicklungsprozesse operativ unterstützen lassen. Schließlich werden Ansätze für das X-gerechte Entwickeln und Konstruieren diskutiert. Anhand fünf ausgewählter Hauptzielsetzungen im Sinne eines Design for X beziehungsweise Design to X wird gezeigt, dass sich der durch das Münchener Produktkonkretisierungsmodell aufgespannte Rahmen auch hier anwenden lässt. Die spezifische Zielsetzung stellt dabei eine Konkretisierung der Entwicklungssituation dar und erfordert daher ein angepasstes Vorgehen.

13 Was waren die wichtigsten Einflüsse auf dieses Buch? 3 Aufgrund der Vielfalt an Themen, die die Produktentwicklung umfasst, und der Notwendigkeit, einen klaren Fokus zu schaffen, konnte auf einige Aspekte nicht oder nur am Rande eingegangen werden. Zu diesen Themen zählt die Rechnerunterstützung der Produktentwicklung (zum Beispiel Computer Aided Engineering, Virtual Reality, Product Data Management und so weiter). Außerdem wird die Produktentwicklung in erster Linie aus dem Blickwinkel des Maschinenbaus betrachtet. Die Bedeutung der Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Disziplinen im Zeitalter von mechatronischen Produkten wird betont. Die Spezifika und Herausforderungen beispielsweise bei der Entwicklung von Elektronik- oder Software-Komponenten werden jedoch nicht vertieft. An wen richtet sich dieses Buch? Als Buch für die industrielle Praxis werden den Entwicklern und Konstrukteuren wertvolle Anregungen und Anleitungen gegeben, ihr Vorgehen flexibler und an die spezielle Situation anzupassen. Besonders für die frühen Entwicklungsphasen, für die Erarbeitung und Ausgestaltung von Konzepten für technische Produkte, werden konkrete Arbeitsunterlagen angeboten. Damit soll ein Beitrag zum Erkenntnistransfer geleistet werden, der die erheblichen Potenziale bezüglich Leistung wie auch Qualität in der Produktentwicklung nutzbar machen soll. Als Lehrbuch richtet es sich an Studierende des Maschinenwesens, die sich für Fragen der Produktentwicklung interessieren. Da überwiegend grundsätzliche Fragen des Vorgehens diskutiert werden, ist der Inhalt auch für andere Disziplinen der Technikwissenschaften von Bedeutung. Darüber hinaus kann es auch für die technisch ausgerichteten Gebiete der Naturwissenschaften, Informatik, Mathematik oder Betriebswirtschaft eine wertvolle Hilfe sein. Wissenschaftlern sollen durch die Diskussion in diesem Buch Ansätze für weitere Forschungsarbeiten gegeben werden. Die hier behandelten Themen bieten die Grundlage für eine weitere Vertiefung noch offener Fragen, zum Beispiel zu der situativen Gestaltung von Entwicklungsprozessen, dem gezielten Einsatz von Produktmodellen, der Entwicklung von unterstützenden Softwarewerkzeugen oder der Entwicklungsarbeit in Abhängigkeit verschiedener Hauptzielsetzungen. Was waren die wichtigsten Einflüsse auf dieses Buch? In der Literatur ist das Thema der Produktentwicklung und Konstruktion seit vielen Jahren intensiv behandelt worden. Darüber hinaus haben zahlreiche intensive Diskussionen mit einzelnen Forschern hinsichtlich der in diesem Buch vorgestellten Ansätze Anregungen gegeben und die Inhalte damit beeinflusst. Wichtige Quellen waren die Werke von Pahl und Beitz [Pahl et al. 1997] und Ehrlenspiel [Ehrlenspiel 2007]. Sie haben das Lehr- und Forschungsgebiet der

14 4 Einführung Entwicklung/Konstruktion maßgeblich geprägt. Daher wird auch an vielen Stellen in diesem Buch auf diese Werke referenziert. Allerdings wurde die Notwendigkeit gesehen, einen klareren Fokus und eine deutlichere Struktur zu schaffen. Außerdem wurde dem Fortschritt und neuen Erkenntnissen im Bereich der Produktentwicklung Rechnung getragen, was sich unter anderem in der verwendeten Terminologie widerspiegelt. Die Begriffe Entwerfen und Ausarbeiten werden daher zum Beispiel weitgehend vermieden, da sie in einer Zeit geprägt wurden, als die Konstruktion noch am Reißbrett stattfand. Im Zuge der Entwicklung moderner 3D-CAD-Systeme hat sich die Vorgehensweise grundlegend geändert. Noch stärker als in der bestehenden Literatur der Entwicklungs- und Konstruktionsmethodik soll ein Bewusstsein für die Entwicklungssituation und die Notwendigkeit eines flexiblen, an die Situation angepassten Vorgehens geschaffen werden. Die Arbeiten von Grabowski [Grabowski et al. 1993] und Rude [Rude 1998] gaben wertvolle Hinweise hinsichtlich der Bedeutung von Produktmodellen und den Ebenen im Konkretisierungsgrad. Weitere Denkanstöße gaben die Arbeiten von Gausemeier und seinen Mitarbeitern [Gausemeier et al. 2006b], vor allem hinsichtlich der Betrachtung von Entwicklungsprozessen als vernetzte Zyklen. Die in den einzelnen Kapiteln behandelten Themen sind ebenfalls von einer Reihe von Vorarbeiten geprägt, beispielsweise hinsichtlich der Morphologie bei der Erstellung von Gesamtkonzepten [Birkhofer 1980], der Sicherheitstechnik bei der Entwicklung und Konstruktion [Neudörfer 2005] sowie dem Montagegerechten Konstruieren [Andreasen et al. 1988]. Die Arbeiten von Altschuller [Altschuller 1984] haben zunächst einige Kraft gekostet, da seine blumige Sprache durchaus gewöhnungsbedürftig und ein Teil der Folgeliteratur zu seinen Ansätzen durch die Aura des unfehlbaren Meisters geprägt ist. Das oft als starr-präskriptiv beschriebene Vorgehen der TRIZ- Methodik, durch das Lösungen nahezu deterministisch erzwungen werden sollen, widerspricht der Grundhaltung dieses Buchs, dass in Abhängigkeit der Entwicklungssituation das Vorgehen flexibel zu gestalten ist. Dennoch muss die wesentliche Bereicherung der Entwicklungsmethodik durch die Arbeiten von Altschuller unbedingt berücksichtigt werden, auch deshalb, weil viele Parallelen zur klassischen Entwicklungs- und Konstruktionsmethodik existieren. Schließlich wurde im Buchprojekt Methodische Entwicklung technischer Produkte [Lindemann 2007] gewissermaßen auch ein Grundstein für dieses Buch gelegt. Während dort das Hauptaugenmerk auf die Produktentwicklung als Problemlösung und zugehörige Arbeitsmethoden gerichtet wird, steht hier die zunehmende Konkretisierung der Produktmodelle im Vordergrund. Letztendlich sind es aber zwei unterschiedliche Sichten auf denselben Betrachtungsgegenstand: den Entwicklungsprozess. Daher sind beide Bücher als gute Ergänzung zueinander zu verstehen. Ein wesentliches Merkmal des Methodenbuchs, das auch hier beibehalten wurde, ist die klare Strukturierung und Form der Vermittlung der Inhalte, durch welche die Ziel- und Handlungsorientierung gefördert werden soll. Arbeiten in und mit der Industrie sowie die Auswertung von Forschungsprojekten haben grundsätzliche Probleme immer wieder deutlich aufgezeigt. Zu diesen gehören der sofortige Übergang von der Aufgabenstellung in die Lösungssuche,

15 Wie ist dieses Buch aufgebaut? 5 ohne das Problem immer richtig verstanden zu haben, sowie die Fixierung auf die ersten augenscheinlichen Lösungsideen. Auf der anderen Seite haben viele Projekte jedoch auch gezeigt, dass systematisches Vorgehen und der situationsgerechte Einsatz von Methodik zum Erfolg führen kann. Neben den zahlreichen anderen Quellen hat auch eine Vielzahl von Dissertationen am Lehrstuhl für Produktentwicklung Anregungen für dieses Buch geliefert, wegen des engen thematischen Bezugs sind besonders zu nennen: Augustin [Augustin 1985], Baumberger [Baumberger 2007], Bichlmaier [Bichlmaier 2000], Braun [Braun 2005], Danner [Danner 1996], Dylla [Dylla 1991], Eiletz [Eiletz 1999], Erdell [Erdell 2006], Felgen [Felgen 2007], Förster [Förster 2003], Fuchs [Fuchs 2005], Gahr [Gahr 2006], Giapoulis [Giapoulis 1998], Gramann [Gramann 2004], Günther [Günther 1998], Herfeld [Herfeld 2007], Heßling [Heßling 2006], Huber [Huber 1995], Hutterer [Hutterer 2005], Jung [Jung 2006], Maurer [Maurer 2007], Mörtl [Mörtl 2002], Müller [Müller 2006], Nißl [Nißl 2006], Pache [Pache 2005], Phleps [Phleps 1999], Ponn [Ponn 2007], Pulm [Pulm 2004], Renner [Renner 2007], Schwankl [Schwankl 2002], Stoll [Stoll 1995], Stößer [Stößer 1999], Stricker [Stricker 2006], Wach [Wach 1994] und Wulf [Wulf 2002]. Darüber hinaus gab es eine Fülle weiterer Impulse aus anderen, zum Teil noch laufenden Arbeiten und Projekten, sowie aus zahlreichen Gesprächen. Wie ist dieses Buch aufgebaut? Kapitel 1 bietet einen kurzen Überblick über wesentliche Aspekte der Produktentwicklung und Konstruktion, die für die Ausführungen in diesem Buch relevant sind. Ausgangspunkt ist die Charakterisierung des vielfältigen Spektrums an Entwicklungssituationen, welches die handelnden Personen vor zahlreiche Herausforderungen stellt. Es wird erläutert, wie je nach Art des betrachteten technischen Produkts unterschiedlichste Anforderungen entstehen. Des Weiteren wird ein Überblick über Ansätze der Unterstützung wie Vorgehensmodelle, Methoden, Produktmodelle und Werkzeuge gegeben. Ferner wird das Münchener Produktkonkretisierungsmodell (MKM) als zentrales Leitmodell dieses Buches vorgestellt. Es enthält vier Partialproduktmodelle, die unterschiedliche Konkretisierungsstufen des Produktes charakterisieren. Schließlich wird auf die Bedeutung des X-Gerechten Entwickelns und Konstruierens eingegangen. Der Aufbau der Kapitel 2 bis 7 orientiert sich an der Struktur des Münchener Produktkonkretisierungsmodells. Das Anforderungsmodell ist Gegenstand in Kapitel 2, hier wird auf die Bedeutung des gezielten Anforderungsmanagements über den gesamten Entwicklungsprozess hinweg eingegangen. Kapitel 3 beschäftigt sich mit dem Funktionsmodell und zeigt auf, welche Möglichkeiten der Darstellung und Strukturierung von Funktionen in Abhängigkeit der Zielsetzung existieren. Thema von Kapitel 4 ist die Generierung von Wirkprinzipien, das heißt die Ermittlung von prinzipiellen Lösungsideen auf der Ebene des Wirkmodells. In Kapitel 5 liegt der Fokus auf der Zusammenführung von Wirkprinzipien zu Ge-

16 6 Einführung samtkonzepten auf der Konkretisierungsebene des Wirkmodells. Kapitel 6 zeigt den Übergang vom Wirk- zum Baumodell im Zuge der zunehmenden Produktkonkretisierung auf und betont die Bedeutung der Alternativenbildung und Variation. In Kapitel 7 wird schließlich auf die Bildung von Produktkonzepten auf Ebene des Baumodells und die Optimierung der Produktgestalt eingegangen. Da in allen Teilmodellen unterschiedlichste spätere Eigenschaften der Produkte zu behandeln und zu berücksichtigen sind, werden anschließend in den Kapiteln 8 bis 12 beispielhaft fünf unterschiedliche Themengebiete aufgegriffen. Kapitel 8 beschäftigt sich dabei mit der Sicherheit und Zuverlässigkeit von Produkten, Kapitel 9 mit dem Produktgewicht. Damit werden Produktanforderungen angesprochen, die unmittelbar im Interesse des späteren Nutzers stehen. Gegenstand von Kapitel 10 ist die Montagegerechtheit von Produkten, ein Aspekt, der in unmittelbarem Herstellerinteresse steht. In Kapitel 11 wird die Thematik der Variantenvielfalt von Produkten angesprochen, Kapitel 12 behandelt die Entwicklung ökologisch nachhaltiger Produkte. Die letzten zwei Themenbereiche sind sehr umfassend und beinhalten viele Aspekte, einschließlich der Zielsetzungen, die unmittelbar dem Nutzer beziehungsweise unmittelbar dem Hersteller dienen. Die Diskussion dieser fünf Themengebiete zeigt grundsätzliche Strategien und Vorgehensweisen auf, die durch eine adäquate Adaption auf weitere Produkteigenschaften übertragbar sind. Es wird auch die oft hochgradige Vernetzung zwischen den verschiedenen Gesichtspunkten verdeutlicht. Die Kapitel 2 bis 13 besitzen alle dieselbe Struktur. Sie beginnen jeweils mit einem einführenden Beispiel, welche die Thematik und die damit verbundenen Herausforderungen für die Produktentwicklung anschaulich charakterisieren. Es folgen Grundlagen zum jeweiligen Themenbereich, zum Beispiel in Form von Definitionen wichtiger Begriffe. In den daran anschließenden Unterkapiteln wird auf vier bis fünf konkrete Themen eingegangen. Diese sind als handlungsorientierte Fragen formuliert, beispielsweise Wie lässt sich ein Überblick über das Lösungsfeld gewinnen? Zum einen wird hier die Problemstellung charakterisiert, zum anderen werden geeignete Unterstützungsmöglichkeiten in Form von Vorgehensweisen, Methoden, Gestaltungsrichtlinien, Werkzeugen oder Checklisten aufgezeigt. Abschließend folgen ein bis zwei Praxisbeispiele, in denen noch einmal zusammengefasst einige der behandelten Aspekte verdeutlicht werden. Kapitel 13 schließt das Buch mit zusammenfassenden Überlegungen ab. Der Anhang enthält neben einem Glossar und Sachverzeichnis eine Sammlung an Checklisten und weiteren Hilfsmitteln, die zum operativen Einsatz im Rahmen von Entwicklungsprozessen gedacht sind. Wichtige Begriffe und Methoden, die im Glossar erläutert sind, wurden aus Gründen der Übersicht im Hauptteil des Buchs fett markiert, beispielsweise Funktion oder Umsatzorientierte Funktionsmodellierung. Die Stellen im Hauptteil des Buchs, an denen auf die Inhalte der Checklisten im Anhang verwiesen wird, sind mit einem Symbol gekennzeichnet, beispielsweise Checkliste mit Gestaltparametern. Auf diese Weise wird der Leser dieses Buchs darauf hingewiesen, dass zu der jeweiligen Thematik Checklisten und sonstige Hilfsmittel der Unterstützung existieren.

17 1 Produktentwicklung und Konstruktion Produktentwicklung bezeichnet sowohl eine Organisationseinheit als auch einen Prozess im Unternehmen. Entwickler generieren darin als Individuen oder in Teams Konzepte und Entwürfe für innovative Produkte. Da die Komplexität von Produkten und Prozessen stetig zunimmt, sind hierfür geeignete Methoden und Werkzeuge notwendig. Schon diese kurze Beschreibung lässt erkennen, dass die Produktentwicklung eine Vielzahl an Themen umfasst. Im Folgenden werden einige wesentliche Aspekte diskutiert, die hier von Bedeutung sind. Abb Wesentliche Aspekte der Produktentwicklung Die Situationen in der Produktentwicklung sind vielfältig und komplex. Sie werden beeinflusst durch zahlreiche Faktoren, zum Beispiel Zeit, Kosten und Qualität. Die Einflussfaktoren stammen aus unterschiedlichen Bereichen, unter anderem der zu lösenden Entwicklungsaufgabe, der Organisation, innerhalb welcher sich Produktentwickler bewegen und der zur Verfügung stehenden Rechnerlandschaft. Die Einflussfaktoren auf die Entwicklungssituation besitzen dabei nicht alle denselben Stellenwert, es existieren kurz-, mittel- und langfristige Aspekte. Ein Beispiel für einen kurzfristigen Aspekt ist, wenn ein Teamkollege plötzlich krank wird und an einer wichtigen Sitzung nicht teilnehmen kann. Ein langfristiger Einflussfaktor auf die Situation des Entwicklers ist die Unternehmensphilosophie und -strategie. Erschwerend kommt die Dynamik hinzu, in welcher sich Situationen ändern. Daher ist es die Aufgabe des Entwicklers, sich mit der Situation auseinandersetzen und mit angepassten Handlungen darauf zu reagieren. Erfolgreiche Produkte sind eine wichtige Voraussetzung für eine prosperierende Wirtschaft. Wichtig für den Erfolg eines Produktes ist es, dass es die Anforderungen und Bedürfnisse der Kunden erfüllt, so dass diese bereit sind, es zu kaufen. Kunden stellen vielfältige Anforderungen, unter anderem hinsichtlich Funktion, Kosten, Design, Ergonomie und Nachhaltigkeit des Produktes. Neben

18 8 1 Produktentwicklung und Konstruktion einem ausreichend großen Absatzmarkt für die angebotenen Produkte ist es für den Unternehmenserfolg auch von Bedeutung, dass die Leistungserbringung wirtschaftlich erfolgt. Die Anforderungen an die erstellten Produkte sind unterschiedlich, je nachdem, ob es sich um Konsumgüter oder Investitionsgüter handelt. Sie hängen zudem stark von den Branchen und Absatzmärkten ab, für welche die Produkte entwickelt werden. Der Charakter der Produkte des Maschinenbaus hat sich von Gebilden mit einem hohen Anteil an mechanischen Komponenten hin zu mechatronischen Produkten gewandelt. Trends wie die Integration von mechanischen, elektronischen und softwaretechnischen Anteilen sowie die zunehmende Miniaturisierung führen dabei zu einer erhöhten Produktkomplexität. Auch sind heutzutage nicht mehr alleine reine Sachprodukte von Bedeutung, sondern es werden auch verstärkt zugehörige Dienstleistungen betrachtet, so dass Produkte als Leistungsbündel zu verstehen sind. Zur Entwicklung von Produkten sind Prozesse notwendig, die die Abläufe der Entwicklungsarbeit und das Vorgehen der involvierten Individuen und Teams regeln. Dabei ist der gesamte Produktlebenszyklus zu betrachten, der sich von der ersten Idee für ein Produkt bis hin zu dessen Recycling erstreckt. Prozesse der Produktentwicklung sind geprägt durch Iterationen, was eine Strukturierung und Planung erschwert. Eine große Herausforderung ist die Verkürzung der Entwicklungsdauer, die neue Strategien und Methoden des Prozessmanagements erfordert. Um effektive und effiziente Abläufe zu erreichen, ist es wichtig, auf bewährte Vorgehensweisen zurückzugreifen. Diese sind allerdings nicht im Sinne von starren Plänen anzuwenden, sondern müssen an die Situation angepasst werden. Trotz zunehmendem Rechnereinsatz spielen Menschen in der Produktentwicklung immer noch die zentrale Rolle. Die Eigenschaften der involvierten Personen, die Erfahrung und das Wissen, sowohl in fachlicher als auch methodischer Hinsicht, ebenso wie die sozialen Kompetenzen, bestimmen den Erfolg eines Entwicklungsprojektes. Kreativität ist eine wichtige Voraussetzung, um innovative Lösungen zu anspruchsvollen Problemen zu erarbeiten. Teamarbeit und eine funktionierende Kommunikation zwischen den Beteiligten im Prozess nehmen angesichts einer globalisierten Welt und einer zunehmenden Vernetzung auf allen Ebenen an Bedeutung zu. Auch müssen sich die Handelnden der Grenzen des menschlichen Gehirns bewusst sein. Fehler und Schwächen werden niemals komplett auszuschalten sein. Hier kommt es vielmehr auf einen sinnvollen Umgang damit an. Zur Unterstützung des Entwicklungsprozesses werden Methoden eingesetzt. Diese stellen regelbasierte, planmäßige Vorgehensweisen dar und bieten Vorschläge für die Abfolge und Ausführung von Tätigkeiten. Zur Gewährleistung des Erfolgs eines Methodeneinsatzes müssen in Abhängigkeit der Situation geeignete Methoden ausgewählt werden. Außerdem ist in der Regel eine Anpassung der Methoden an die vorliegenden Rahmenbedingungen erforderlich. Aufgrund der hohen Komplexität realer oder geplanter Produkte werden mithilfe der Systembetrachtung Modelle entwickelt und eingesetzt. Produktmodelle stellen formale Abbilder realer Produkteigenschaften dar. Sie entstehen zum Beispiel zum Zwecke der Analyse durch Abstraktion eines komplexen Sachverhalts

19 1.1 Entwicklungssituationen 9 und trennen das für die jeweilige Aufgabe Wesentliche vom Unwesentlichen. Aber auch im Rahmen der Synthese entstehen Produktmodelle. Zur Unterstützung der Anwendung von Methoden und der Erzeugung von Produktmodellen stehen Werkzeuge zur Verfügung. Diese können sehr einfach oder höchst komplex sein. Beispiele für einfache Werkzeuge sind Formblätter und Checklisten. Beispiele für komplexe Werkzeuge sind Rechnerprogramme für die numerische Simulation. Oftmals wird erst durch die Verfügbarkeit gewisser Werkzeuge der Erfolg einer Methodenanwendung garantiert. Dabei muss aber auch berücksichtigt werden, dass der Einsatz von Werkzeugen mit Aufwand verbunden ist, weswegen dieser immer gegenüber dem erzielbaren Nutzen abgewogen werden muss. Schließlich spielen die Faktoren Information und Wissen eine große Rolle. Im Entwicklungsprozess werden aus Informationen zu den Anforderungen und Bedürfnissen der Kunden Informationen zur Gestalt und Herstellung des Produktes erzeugt. Es handelt sich in der Produktentwicklung also um einen Prozess der Informationsverarbeitung beziehungsweise um einen wissensintensiven Prozess. Das notwendige Wissen liegt auch nicht immer explizit vor, sondern ist implizit in den Köpfen der Entwickler verborgen. Zudem sind die verfügbaren Informationen gerade in frühen Phasen der Produktentwicklung vage und unsicher. Durch einzelne Arbeitsschritte der Analyse, Synthese und Bewertung wird der Wissensstand konkretisiert und detailliert. Hier kommt einem funktionierenden Informationsund Wissensmanagement eine hohe Bedeutung zu. 1.1 Entwicklungssituationen Entwicklungssituationen sind vielfältig, dynamisch und komplex [Ponn 2007]. Im Folgenden wird das Spektrum an Entwicklungssituationen anhand ausgewählter Merkmale von Relevanz und deren möglichen Ausprägungen diskutiert. Abb Systematik der Merkmale von Entwicklungssituationen (beispielhaft)

20 10 1 Produktentwicklung und Konstruktion Im Bereich des Maschinenbaus, der hier primär betrachtet wird, existiert ein breites Spektrum hinsichtlich der Produktart. Entwickler haben es nicht mehr lediglich mit rein mechanischen, sondern zunehmend mit mechatronischen Produkten zu tun [Isermann 1999, Bender et al. 2005, Gausemeier et al. 2006a]. Hier wirken Elemente des Maschinenbaus, der Elektrotechnik/Elektronik sowie der Informationstechnik intelligent zusammen. Der Trend zur Integration und Miniaturisierung führt zu einer zunehmenden Produktkomplexität. Darüber hinaus sind heutzutage nicht mehr alleine Sachprodukte zu betrachten, sondern vielmehr Leistungsbündel, die aus Sachprodukten und zugehörigen Dienstleistungen bestehen. Abb Grundstruktur eines mechatronischen Systems [nach VDI 2206] Die Absatzmärkte, für welche die Produkte entwickelt werden, sind sehr unterschiedlich. Kunden sind sowohl im privaten Konsumbereich als auch in diversen Branchen und Bereichen des öffentlichen Lebens zu finden. Die Anforderungen an Produkte sind außerdem andere, wenn es sich nicht um Konsumgüter, sondern um Investitionsgüter handelt, die in unterschiedlichen industriellen Bereichen eingesetzt werden. In Bezug auf die Absatzmärkte gilt es außerdem regionale Besonderheiten zu berücksichtigen. Unterschiedliche Kulturen, Bräuche, anthropometrische Charakteristika, Sprachen, Gesetze oder klimatische Bedingungen haben auch Einfluss auf die Gestaltung von Produkten. In der gesamten Supply Chain treten vielfältige Kunden- und Lieferantenbeziehungen auf. Kunde kann der Endverbraucher sein, also beispielsweise eine Privatperson, die ein Automobil kauft. Der Automobilkonzern als Endprodukthersteller (OEM oder Original Equipment Manufacturer) ist wiederum Kunde für Systemhersteller, also zum Beispiel Unternehmen, die Automobilsitze, Klimageräte, Getriebe oder Abgasanlagen entwickeln und produzieren. Der Systemhersteller seinerseits ist Kunde von Subsystem- oder Komponentenherstellern, von denen er Elektromotoren, Getriebe, Wälzlager, Dichtungen oder Schrauben bezieht. Unabhängig von der Rolle in der Supply Chain macht es auf Kundenseite einen Unterschied, ob es sich um Entscheider, Beschaffer oder Benutzer des Produktes han-

21 1.1 Entwicklungssituationen 11 delt. Jede Rolle oder Funktion innerhalb der Prozesskette hat unterschiedliche Sichten auf Produkte und benötigt andere Arten an Produktinformation. Kunden haben Bedürfnisse und Wünsche, die in die Entwicklung der Produkte mit einzubeziehen sind. Daher ist die Kenntnis der Rolle des Kunden im Prozess wichtig. Die Kommunikation mit dem Kunden kann sich mitunter sehr schwierig gestalten, da Kunden in der Regel eine andere Sprache sprechen. Kunden denken primär in Anforderungen und Anwendungen (Problemsicht), Entwickler und Konstrukteure dahingegen oft in Komponenten und Spezifikationen (Lösungssicht). Einen weiteren Einfluss auf die Situation des Produktentwicklers hat die Fertigungsart des Produktes. Hier kann nach kundenanonymer und kundenspezifischer Fertigung unterschieden werden, aber auch nach Einzelfertigung, Serienfertigung und Massenfertigung oder hinsichtlich der zu realisierenden Stückzahl. Beispiele für Sondermaschinen nach individueller Kundenspezifikation können Montageanlagen, Flugzeuge oder Werkzeugmaschinen sein. Kundenanonym gefertigte Massenprodukte sind zum Beispiel Schrauben, Dübel oder Wälzlager. Je nachdem ob das Produkt für die Einzel-, Serien- oder Massenfertigung vorgesehen ist, spielen unterschiedliche Aspekte für die Produktgestaltung eine Rolle. Bei hoher Stückzahl können scheinbar nebensächliche Details schnell zu enormen Kostendifferenzen führen. Neue Trends, wie beispielsweise Mass Customization oder kundenindividuelle Massenproduktion [Lindemann et al. 2006], verfolgen das Ziel, Kunden individuell maßgeschneiderte Produkte zur Verfügung zu stellen und diese unter vergleichbaren Konditionen wie in der Massenfertigung zu realisieren, was Kosten und Entwicklungs- beziehungsweise Lieferzeiten anbelangt. Die Art und Ausprägung der Komplexität von Produkten kann sehr unterschiedlich sein. Produkte wie Flugzeuge und Kraftwerke zeichnen sich durch eine hohe Zahl an Bauteilen und Baugruppen aus und sind aufgrund der Vernetzung und der daraus resultierenden zahlreichen Schnittstellen sehr komplex. Aber auch scheinbar einfache Produkte, wie zum Beispiel PVC-Einkaufstaschen, können eine hohe Komplexität besitzen, die sich hier jedoch in den Prozessen der Auslegung (Minimierung der Herstellkosten bei hoher Haltbarkeit), Herstellung (Blasfolienextrusion) oder Distribution (Verteilung an Supermärkte) verbirgt. Ein weiteres Merkmal der Situation des Entwicklers ist die Art der Entwicklungsaufgabe. Eine in der Literatur übliche Unterscheidung des Neuheitsgrads der Entwicklung ist die Differenzierung nach Neuentwicklung, Anpassentwicklung und Variantenentwicklung [Pahl et al. 2005, Ehrlenspiel 2007]. Diese Entwicklungsaufgaben können aber auch alle im selben Projekt auftreten. Bei der Weiterentwicklung oder Modellüberarbeitung eines bestehenden Produktes, beispielsweise einer Bohrmaschine, kann es vorkommen, dass gewisse Umfänge neu entwickelt werden (Vibrationsdämpfung), andere aber vom Vorgängerprodukt übernommen werden können und lediglich an neue Rahmenbedingungen anzupassen sind (Elektromotor). Bei einer Neuentwicklung ist es oft der Fall, dass neue oder andere Technologien zum Einsatz kommen (zum Beispiel Wasserstoffantrieb statt Verbrennungsmotor im Automobil). Außerdem sind im Rahmen einer Neuentwicklung häufig Überlegungen hinsichtlich der Systemarchitektur notwendig (beispielsweise bei der Entwicklung eines Hybridantriebs fürs Automobil).

22 12 1 Produktentwicklung und Konstruktion 1.2 Technische Produkte Das Spektrum an technischen Produkten ist groß. Je nach Produktbereich und Branche existieren spezielle Anforderungen und Rahmenbedingungen, auf die der Entwickler besonders zu achten hat, und welche zu Unterschieden in der Entwicklungssituation führen. So macht es beispielsweise einen Unterschied, ob es sich um ein Konsum- oder Investitionsgut handelt. Auch sind bei der Entwicklung von Haushaltsgeräten teilweise deutlich andere Aspekte relevant als bei der Entwicklung von Produktionsanlagen. Im Folgenden wird auf ausgewählte Produktbereiche und auf einige ihrer speziellen Merkmale eingegangen. Abb Spektrum betrachteter technischer Produkte Einen für den Privatkonsum relevanten Produktbereich stellen Haushaltsgeräte wie beispielsweise Pflanzenölkocher, Zitruspressen oder Staubsauger dar. Neben allgemeinen Anforderungen an die Funktionalität und Sicherheit dieser Produkte dient hier das Design als Differenzierungsmerkmal, welches dazu beiträgt, einen Markenwert zu erzeugen und den Absatz zu garantieren. Da bei diesen überwiegend massengefertigten Erzeugnissen außerdem Stückzahleneffekte angestrebt werden, steht oft auch das Thema der Kostenoptimierung im Vordergrund. Sportgeräte wie Fahrräder, Schlittschuhe oder Tourenskibindungen besitzen wiederum ganz eigene Anforderungen. Neben anderen Aspekten spielen hier die Faktoren Ergonomie, Mobilität, Sicherheit aber auch Gewicht eine wichtige Rolle. In der Automobiltechnik damit ist hier der private Sektor gemeint spielen unter anderem die Themen Preis, Leistung, Verbrauch und Komfort eine Rolle.

23 1.2 Technische Produkte 13 Betrachtet man einzelne Kundensegmente, werden die Anforderungen differenzierter. Die Kunden im Premiumbereich haben andere Bedürfnisse als die Kunden in der Kompaktklasse. Hier gilt es in der Entwicklung vor allem die Vielfalt zu beherrschen, die sowohl auf Ebene der Automodelle als auch auf den untergeordneten Ebenen der Baugruppen und Bauteile (Motor, Antriebsstrang, Innenraum und so weiter) zu beobachten ist. Einen Produktbereich in der Kategorie der Investitionsgüter stellen Maschinen und Geräte für Profianwender am Bau dar, zum Beispiel Bohrmaschinen, Betonmischer oder Meißelhämmer. Hier ist von hoher Bedeutung, dass die Geräte ihre Funktion mit hoher Sicherheit und Zuverlässigkeit erfüllen. Die Themen der Lebensdauer und Robustheit gegenüber Störeinflüssen am Bau (Staub, Wasser, Schmutz) stellen eine Herausforderung für die Entwicklung dar. Entwickler haben zu berücksichtigen, dass die Geräte auch bei Missbrauch durch den Benutzer zum einen weiterhin ihre Funktion erfüllen müssen, zum anderen keine Gefahr für Menschen und die Umwelt darstellen dürfen. Ein weiterer Produktbereich ist die Fahrzeugtechnik, hier stehen Nutzfahrzeuge im Fokus. Beispiele für Projekte in diesem Bereich sind die Entwicklung eines Gangschaltungs-Simulators für LKWs oder eines Pneumatikventils für Schienenfahrzeuge. Themen von Relevanz für den Entwickler sind unter anderem Zuverlässigkeit, Sicherheit, Lebensdauer, Gewicht und Variantenmanagement. Die klinikorientierte Medizintechnik verlangt von den hier eingesetzten Produkten eine hohe Zuverlässigkeit, da durch Fehlfunktionen Menschenleben gefährdet werden können. Eine Herausforderung für die Entwicklung stellt die Tatsache dar, dass eine funktionierende Kommunikation zwischen den involvierten Disziplinen (Mediziner als Kunden, Ingenieure als Lieferanten von Produktlösungen) vonnöten ist. Hier sind aufgrund der unterschiedlichen Begriffswelten und Denkweisen gewisse Barrieren zu überwinden. Entwicklungsprojekte in der Anlagentechnik sind vor allem durch die hohe Produktkomplexität geprägt. Beispiele für Produkte aus diesem Bereich sind PET-Flake-Waschanlagen oder Kraftwerke auf Basis von Gas- und Dampfturbinen. Ein Thema von Bedeutung ist angesichts der langen Betriebsdauer der Anlagen unter anderem die Gewährleistung von Nachhaltigkeit. Beispielsweise werden geeignete Konzepte für die Wartung, Instandhaltung und Modernisierung der Gesamtanlage oder von Teilsystemen benötigt. Produktbeispiele aus dem Bereich Produktionstechnik sind Industrieroboter oder Werkzeugmaschinen. Hier sind die Optimierung von Leistungsparametern, die Minderung von Störfaktoren wie Vibrationen oder Lärm und das Thema der Sicherheit von hoher Bedeutung. Eine weitere Anforderung ist die Flexibilität, mit der die Maschine oder Anlage an neue Rahmenbedingungen (zu fertigende oder montierende Produkte, Losgrößen und so weiter) angepasst werden muss. Schließlich werden auch Großmaschinen wie Flugzeuge, Containerschiffe oder Hochgeschwindigkeitszüge betrachtet. Bei diesen spielt ebenfalls die zu bewältigende Komplexität aufgrund der hohen Anzahl an Baugruppen und Bauteilen sowie deren Vernetzung eine Rolle.